CPLD在時柵位移傳感器中的應(yīng)用

基于CPLD的數(shù)字信號處理電路

智能時柵位移傳感器內(nèi)部基于CPLD的數(shù)字信號處理電路。電路采用雙MCU＋CPLD結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部嵌入主從式兩塊單片機，副MCU負責數(shù)據(jù)采集與預處理工作，主MCU通過接口電路與外界實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。動、定測頭感應(yīng)到的微弱信號經(jīng)放大、自動增益控制、濾波和整形等預處理電路后，得到供數(shù)字電路處理的方波信號。兩路方波信號送入CPLD進行處理，CPLD包括雙路比相器、脈沖當量計量電路、計數(shù)電路、總線收發(fā)三態(tài)控制電路等4個功能模塊。

CPLD芯片選用Altera公司的MAX7000S系列器件EPM7128SLC84，它有128個邏輯宏單元，邏輯門數(shù)為2500門，在MAX+PLUSII軟件環(huán)境下，采用VHDL和原理圖輸入相結(jié)合的方法進行設(shè)計。設(shè)計輸入完成后，進行整體的編譯和邏輯仿真，然后進行轉(zhuǎn)換、布局、布線、延時仿真生成配置文件，最后以4引腳的JTAG接口方式通過ByteBlaster下載電纜對CPLD進行在線編程(ISP)，完成結(jié)構(gòu)功能配置，實現(xiàn)其硬件功能，制成專用芯片。為了避免器件內(nèi)的設(shè)計被他人復制和取出，可通過對MAX7128S內(nèi)部的一個保密位編程，對設(shè)計進行加密。當對器件重新編程時，保密位連同其它的編程數(shù)據(jù)均能擦除和重寫。

動、定測頭方波信號分別從DO_INPUT和DI_INPUT端輸入CPLD，采樣信號INT0_OUT由定測頭信號DI_INPUT反相得到，通過雙路比相器獲取動測頭信號DO_INPUT的上、下沿至采樣時刻的相位差信號。Fai_OUT1、Fai_OUT2信號表示插入高頻細分脈沖信號后的相位差信號，高頻時鐘脈沖由CLK端輸入，通過2路帶允許端的20位同步計數(shù)器分別對插入的細分脈沖進行計數(shù)。每一個脈沖所代表的角度大小由脈沖當量計量電路來確定，用于計算脈沖當量的Ti_OUT1信號由DI_INPUT信號二分頻得到。

EPM7128SLC84輸出信號INT0_OUT與副MCU第12腳P3.2相連，每一脈沖下降沿觸發(fā)副MCU中斷一次。通過對各信號邏輯時序的分析，可以看出：動、定測頭方波信號頻率為50Hz，為保證時柵位移傳感器能正常工作，MCU必須每20ms中斷一次(若信號頻率為400Hz，中斷時間間隔為2.5ms)，也就是說MCU用于處理數(shù)據(jù)的時間只有20ms。MCU做多字節(jié)除法、乘法運算時，運行時間較長，且用于單片機與計算機間數(shù)據(jù)通信的時間就至少需要10ms，因此20ms時間MCU無法處理完全部工作。處理時間不夠就會導致死機，傳感器無法工作，實踐也證明了這一點。

解決這一問題的方法通常是采取硬件分頻，信號分頻后，相應(yīng)周期加倍，供MCU處理數(shù)據(jù)的時間加長。但在本設(shè)計中，無論是將動、定測頭方波信號同時分頻或僅將引起MCU中斷的信號分頻，均無法保證同時采集到正確的3個數(shù)據(jù)。

基于此，本文提出采用“軟件分頻”來解決這一問題，這也是采用雙MCU的關(guān)鍵原因之一。中斷信號INT0_OUT每20ms觸發(fā)副MCU中斷一次，每4次中斷采集一次數(shù)據(jù)，前面3次中斷時副MCU通過程序判斷中斷次數(shù)而進行相應(yīng)處理，為第4次中斷時采集數(shù)據(jù)作準備，第4次中斷時在中斷服務(wù)程序中采集數(shù)據(jù)，包括φ1、φ2和Ti等3個參數(shù)。其中，φ1、φ2和Ti分別代表一個信號周期內(nèi)插入Fai_OUT1、Fai_OUT2和Ti_OUT1中的時鐘脈沖個數(shù)。副MCU對數(shù)據(jù)進行預處理后，通過P3.1腳觸發(fā)主MCU中斷，接收副MCU傳送的數(shù)據(jù)，這樣，主MCU每80ms中斷一次，供主MCU處理數(shù)據(jù)的時間增加為80ms，相當于4分頻，但并沒有改變各信號時序。這一思想在信號頻率提高到400Hz或更高后仍然適用，只需對軟件作少量改動即可。

通過以上分析，不難看出：CPLD邏輯功能仿真波形為硬件電路和程序的正確設(shè)計與優(yōu)化提供了依據(jù)，具有邏輯分析儀的功能，為設(shè)計者帶來了方便，這充分體現(xiàn)了采用CPLD設(shè)計數(shù)字電路的優(yōu)點。

總線收發(fā)三態(tài)控制電路實現(xiàn)副MCU在讀取φ1、φ2和Ti時分時復用20位數(shù)據(jù)總線D19～D0。副MCU每讀一個數(shù)據(jù)，先通過使能端EN讓計數(shù)器停止計數(shù)，再通過RD端打開三態(tài)門讀取數(shù)據(jù)，讀完數(shù)據(jù)后關(guān)閉三態(tài)門，并通過CLR端將計數(shù)器清零，為下一次讀取數(shù)據(jù)做準備。副MCU對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理后，送給主MCU。圖1中，副MCU的P3.0腳與主MCU的P2.0腳相連是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中2塊MCU間的通信握手，數(shù)據(jù)準備就緒后，主MCU打開三態(tài)總線緩沖74LS244，從P0口讀取數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集與預處理軟件設(shè)計

如前所述，數(shù)據(jù)采集與預處理在副MCU中斷0服務(wù)程序內(nèi)完成，程序流程圖如圖3所示。程序設(shè)計中采用了前面介紹的軟件分頻技術(shù)，流程圖中φ代表不受預處理電路中整形芯片門限電壓影響的準確相位角。

結(jié)束語

PM7128SLC84在智能時柵位移傳感器數(shù)字電路設(shè)計中取得了很好的應(yīng)用效果，實現(xiàn)了硬件設(shè)計軟件化，使用可編程邏輯器件技術(shù)避免了復雜的PCB布線，帶來不僅在成本、開發(fā)周期、可靠性等方面的優(yōu)勢，而且大大增強了硬件模塊的柔性，通過編程來很方便地修改硬件電路結(jié)構(gòu)，功耗也大大降低。但在使用CPLD器件時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如EPM7128SLC84對信號毛刺很敏感，因此，對信號的前置處理和電路設(shè)計提出了更高要求。